Come è fatto il motore di un’auto elettrica? Quante marce ha l’auto elettrica? Sono domande che spesso girano nella testa di chi è interessato a capire qualcosa di più di come funziona la propulsione di un’auto alimentata a batterie. Come stanno realmente le cose sulla trasmissione? Cerchiamo di capire come avviene la propulsione di un’auto elettrica dove la trazione è fornita solitamente da un motore alimentato dalla corrente ovvero un classico motore elettrico.

Come è fatto il motore di un’auto elettrica? Per farlo funzionare quale tecnologia viene utilizzata tra “asincroni”, “sincroni”, corrente continua o alternata, “monofase”, “trifase” e passo-passo?

Cerchiamo di capire quali sono le caratteristiche del motore elettrico utilizzato sulle principali auto elettriche (come la Peugeot e-208, Opel Corsa, Renault Zoe, VW ID.3, ecc), come si comporta in termini potenza/coppia al variare del carico e la sua efficienza. Diciamo che il motore elettrico ha una struttura decisamente più semplice rispetto ad un motore a combustione interna, benzina o Diesel: è così compatto da poter essere inserito in un borsone sportivo ed è durissimo a morire!

Un motore elettrico è composto essenzialmente da due parti: lo statore ed il rotore che generano due campi magnetici la cui interazione produce la coppia motrice. Per generare i campi magnetici, rotore e statore sono entrambi alimentati dalla corrente, eccetto nei motori senza spazzole (brushless) dove è solo lo statore ad essere alimentato con la corrente.

I motori elettrici sono costruiti per funzionare in corrente continua (DC) o in corrente alternata (AC): in realtà un motore costruito per corrente continua potrebbe funzionare anche con l’alternata, come possono fare i cosiddetti “motori elettrici universali“.

Curioso è che lo statore del motore a corrente trifase alternata e quello del motore sincrono brushless in corrente continua sono praticamente identici. Entrambi hanno tre serie di avvolgimenti distribuiti che sono inseriti all’interno del nucleo dello statore. La differenza sostanziale trai due motori elettrici è il rotore.

Entrambi questi motori (a corrente alternata o continua) per funzionare utilizzano l’inverter necessario per la generazione della corrente trifase: differiscono per il rotore ed ovviamente per la logica di funzionamento dell’inverter stesso che deve pilotare la corrente in modo diverso.

Quale è la differenza tra un motore elettrico “sincrono” e “asincrono”? Nel motore sincrono la velocità di rotazione dell’asse è rigidamente vincolata alla frequenza della tensione di alimentazione mentre nel motore asincrono la velocità di rotazione dell’asse è sempre minore della velocità di rotazione del campo rotante legata alla frequenza della tensione di alimentazione.

Sulla maggior parte delle auto elettriche vengono utilizzati motori elettrici “sincroni” a magnete permanente (brushless sinusoidali) perché devono lavorare con carichi variabili a diverse velocità e consumano meno corrente. Fa eccezione la Tesla Motors che sulle sue auto monta motori elettrici “asincroni” brusless e la Renault che sulla Zoe impiega un motore sincrono semplice ovvero con rotore “alimentato” costituito da un vero e proprio “elettromagnete” al quale la corrente arriva tramite contatti striscianti (anelli).

Il motore utilizzato sulle auto elettriche è solitamente un motore sincrono alimentato dalla corrente continua delle batterie al litio chiamato “brushless” perché senza spazzole: ha un rotore a magneti permanenti (tipo calamite) e lo statore alimentato dalla corrente che genera un campo magnetico rotante.

Il rotore di un motore brushless non ha bobine né fili di rame ma due o più magneti “permanenti che hanno il compito di generare il campo magnetico CC all’interno del nucleo dello statore.

Sullo statore, attraverso una gestione evoluta della corrente, si genera un campo magnetico variabile prodotto dagli stessi avvolgimenti e magicamente l’interazione dei 2 campi magneti dello statore e rotore produce la coppia motrice che permette il movimento dell’auto.

Il motore brushless “senza spazzole” può funzionare a corrente continua o alternata, ci pensa un “controller” alla dovuta trasformazione.

Cerchiamo di capire come funziona la regolazione della velocità di un motore elettrico. La velocità di rotazione del motore sincrono è legata alla frequenza della corrente con questa formula: 

Dove fR è la frequenza del motore, fV la frequenza elettrica (ad esempio in Italia è 50 Hz, negli Stati Uniti è 60 Hz) e p è il numero di espansioni polari per ogni fase presenti nel motore. Un motore con più espansioni polari per fase gira più lento ma sviluppa una coppia meccanica maggiore. Sull’auto elettrica la velocità dell’auto viene regolata variando la frequenza della corrente che alimenta il motore: a questo ci pensa l’inverter rispondendo ai comandi del pedale dell’acceleratore.

Tramite l’inverter viene gestito il funzionamento del motore elettrico sincrono. Come funziona? Mentre il motore ruota, per generare la rotazione del campo magnetico nello statore si utilizza un’elettronica dedicata, l’inverter appunto, con a bordo alcuni transistor di potenza pilotati da un microcontrollore.

All’inverter arriva, oltre alla corrente DC continua dalla batteria dell’auto, il segnale dal pedale dell’acceleratore e la posizione del rotore rispetto allo statore in base al quale determina l’orientamento da dare al campo magnetico. Con questi parametri l’inverter regola frequenza e intensità della corrente da inviare allo statore.

Sotto è visibile il contenitore in alluminio sigillato della Renault dove è presente l’inverter che permette di gestire l’erogazione della potenza sul motore elettrico della Renault Zoe.

L’inverter (4) sulle Zoe ha il compito di controllare la velocità e la coppia della macchina convertendo la corrente continua dalla batteria in corrente “pulsante” con valori di intensità e frequenza ideali per le nostre esigenze di carico e velocità richieste durante la normale guida.

Quando il veicolo è in decellerazione, e quindi in fase di recupero di energia c’è il “raddrizzatore” che, lavorando al contrario, converte la corrente alternata prodotta dal motore in corrente continua, la stessa che va a caricare la batteria agli ioni di litio.

Gli inverter e con l’elettronica di potenza hanno permesso anche di risolvere un grosso problema del motore sincrono, il problema dell’avviamento da fermo che per effetto dell’inerzia non ha il tempo di seguire il campo magnetico rotante, rimanendo fermo.

Infatti grazie all’inverter si riesce a regolare sia la tensione (e quindi la corrente) di alimentazione che la frequenza: partendo da una frequenza nulla (viene alimentato con la corrente continua…) si riesce a generare quella coppia di spunto per farlo avviare e poi con la variazione della frequenza si seguono le esigenze del regime di rotazione ricercato lavorando frequenza e velocità angolare in perfetta “sincronia”.

Il rendimento del motore sincrono a magneti permanenti Brushless è maggiore rispetto a quello dei motori a corrente continua asincroni ed arriva anche al 98%. Questi motori realizzati con un rotore di materiale ferromagnetico laminato hanno una un’inerzia rotorica molto bassa che permette di avere un controllo estremamente preciso e rapidità in accelerazione.

Sul tema efficienza questo motore è migliore perché può funzionare con un fattore di potenza unitario, mentre un motore con rotore alimentato a corrente arriva all’85 percento: l’efficienza energetica del punto di picco per un’unità brushless DC sarà in genere di alcuni punti percentuali superiore rispetto ad un motore ad induzione.

BLDC senza spazzole: ~ 93%, inverter: ~ 97% (flyback sincrono o controllo isteretico), NET = 90% (Utilizzato sulla Peugeot e-208, VW ID.3, Opel Corsa, Mazda MX-30)

AC induzione: ~ 91%: inverter: 97% (flyback sincrono o controllo isteretico), NET = 88% (Renault Zoe)

DC con spazzole: motore: ~ 80%, controller DC: ~ 94% (flyback passivo), NET = 75%

Per dosare potenza (e coppia) di un motore endotermico vengono variate le quantità di aria e benzina immesse nel motore stesso attraverso il pedale dell’acceleratore. Su un motore elettrico allo stesso modo c’è sempre un pedale collegato all’inverter che gestisce frequenza ed intensità della corrente.

Sopra si vede la curva di coppia di un motore elettrico sincrono che è massima velocità “zero”, cioè quando il motore è fermo. Quando partiamo da fermo con l’auto elettrica abbiamo il massimo spunto: nonostante il peso molto maggiore rispetto alle sorelle con motore a benzina o diesel sono decisamente più prestazionali. Senza carico il motore arriva ad un certo numero massimo dei giri al minuto e “plafona”. A parità di corrente erogata applicando un carico (“frenandolo”) scende di giri fino ad un valore di rotazione nel quale riesce a bilanciare la coppia resistente.

Con l’inverter possiamo ridurre la corrente per abbassare il valore della potenza fino ai valori desiderati: sotto come varia la curva della potenza caratteristica di un motore elettrico al variare della corrente.

Il motore può lavorare con tensioni e correnti diverse generalmente comprese tra -50% e +100% di quelle nominali massime previste. Se viene “sottoalimentato” eroga meno potenza se andiamo oltre eroga più potenza ma scalda maggiormente.

I vantaggi del motore sincrono brusheless sono una maggiore resistenza meccanica, assenza di scintille e zero manutenzione periodica. Questo è dovuto essenzialmente all’assenza delle spazzole, punto debole di un motore elettrico perché generano scintille, si usurano e producono “rumore magnetico” che può provocare interferenze anche nelle comunicazioni radio.

Questi motori sono indistruttibili, possono girare per decenni e percorrere milioni di chilometri senza la minima usura. Tra i pro da aggiungere anche la compattezza con un ingombro limitato e un rendimento ottimale in quanto non viene consumata energia elettrica per generare il campo magnetico sul rotore.

Il principale svantaggio del motore brushless senza spazzole rispetto ad altri motori elettrici è il costo. Sono essenzialmente due i motivi che lo fanno salire: la presenza di un dispositivo elettronico evoluto come l’inverter, indispensabile per gestirne il funzionamento, ed il costo di realizzazione del rotore con i suoi magneti permanenti.

Sui motori con le spazzole la gestione della potenza (e velocità) è affidata ad un semplice potenziometro poco efficiente ed altrettanto economico.

Ecco sotto un’altro spaccato di un motore per auto elettrica sincrono a magneti permanenti da 170 kW della Zytek

La Renault Zoe è una delle poche vetture ad utilizzare un motore elettrico sincrono con rotore ad “elettromagnete”. Mentre il rotore di un motore brushless non ha necessità di essere alimentato (non ha le spazzole), quello della ZOE è realizzato con avvolgimenti di rame che devono essere alimentati dalla corrente per generare il campo magnetico.

L’argomento è abbastanza complesso, tanti sono gli aspetti che ruotano intorno ai motori elettrici. Speriamo questo articolo ti sia stato d’aiuto per capire meglio come funziona il motore elettrico che si trova sotto le auto elettriche.

Com’è fatto il motore della ID.3

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